《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA+嵌入式處理器的違章車輛視頻檢測系統(tǒng)
摘要: 隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,,人們生活水平不斷提高,,各種汽車的數(shù)量大幅度增加,,提高交通效率就顯得越來越重要。目前世界各國都投入了大量的人力和物力對智能交通系統(tǒng)(ITS)進(jìn)行研究,。作為ITS的重要組成部分,電子警察系統(tǒng)在規(guī)范駕駛?cè)藛T行為、杜絕交通事故,、提高交通執(zhí)法水平及道路通行能力等方面起到了重要作用。從現(xiàn)有電子警察系統(tǒng)實(shí)際存在的問題出發(fā),,在系統(tǒng)控制,、車輛檢測及系統(tǒng)方面提出了自己的解決方案。概要介紹了基于嵌入式
關(guān)鍵詞: FPGA 違章車輛視頻檢測 DM9161
Abstract:
Key words :

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,,機(jī)動車輛不斷地增長,,現(xiàn)有道路等硬件設(shè)施的增長已經(jīng)滿足不了日益膨脹的交通問題,智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,ITS)越來越受重視,。

所謂智能交通系統(tǒng)(ITS)就是將先進(jìn)的信息技術(shù),、數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi),、全方位發(fā)揮作用的,、實(shí)時、準(zhǔn)確,、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng),。近年來,ITS在城市交通管理方面得到了普遍應(yīng)用,,在緩解道路交通,、防范交通違章及事故發(fā)生等方面獲得了良好的效果,。本文針對ITS應(yīng)用,特別是電子警察系統(tǒng)的應(yīng)用,,提出了車輛違章視頻檢測方案,,以適應(yīng)ITS的發(fā)展需求。

1 電子警察系統(tǒng)

電子警察主要是針對機(jī)動車在路口闖紅燈這種極易造成惡性事故的交通違章現(xiàn)象進(jìn)行自動監(jiān)測記錄,,做到了無人值守,,不間斷監(jiān)測,證據(jù)充分正確,,提高交通執(zhí)法的準(zhǔn)確性和效率,。傳統(tǒng)典型的電子警察系統(tǒng)通常是由系統(tǒng)控制、違章車輛檢測,、拍攝,、傳輸以及輔助配套設(shè)備等幾部分組成。

目前,,一般電子警察系統(tǒng)主要采用環(huán)形線圈感應(yīng)器,、以增強(qiáng)型PC為基礎(chǔ)的工控機(jī)(IPC)平臺控制的模式。環(huán)形線圈的安裝不便,、容易受損壞,,IPC對室外環(huán)境的適應(yīng)差等缺點(diǎn),給電子警察正常穩(wěn)定運(yùn)行及維護(hù)工作造成極大的困難,。因此,,車輛違章檢測技術(shù)對電子警察的高精度、大面積推廣有很大的影響,,是電子警察系統(tǒng)中重要的一部分,,是交通管理系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

2 現(xiàn)有車輛違章檢測技術(shù)

車輛檢測器是交通管理系統(tǒng)中不可缺少的組成部分,,主要是通過數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)視等方式,,向監(jiān)控系統(tǒng)中的信息處理和信息發(fā)布單元提供各種交通參數(shù),作為監(jiān)控中心分析,、判斷,、發(fā)出信息和提出控制方案的主要依據(jù)。常用的交通車輛檢測器主要包括環(huán)行線圈檢測器,、超聲波或微波(雷達(dá)波)檢測器,、紅外線檢測器、視頻檢測器等,。

比較幾種檢測方法可以知道,,超聲波或微波(雷達(dá)波)檢測器和紅外線檢測器使用的條件比較苛刻,使用比較少,,主要用于人工檢測方式,。目前最普遍的,、經(jīng)常用的是環(huán)行線圈視頻檢測器,但是視頻車輛檢測器與感應(yīng)線圈等檢測器相比,,具有如下的技術(shù)特點(diǎn):

(1)視頻檢測器安裝與維護(hù)方便,,無需開挖路面,對道路交通的影響很小,。

(2)視頻車輛檢測器能檢測較大的交通場景面積,,單臺攝像機(jī)就可同時監(jiān)測多個車道,從而減少傳感器的安裝數(shù)目,,并可進(jìn)行大范圍內(nèi)的車輛跟蹤,。

(3)能提供絕大多數(shù)的交通參數(shù)信息,包括車流量,、單車速度,、平均車速、車間距等,。

(4)獲得的視頻及圖像信息很直觀,,是人機(jī)可讀的,還可以加以保存,。從而為監(jiān)控人員進(jìn)行相關(guān)操作提供了參考,。

3 嵌入式視頻檢測系統(tǒng)

根據(jù)交通違章管理的要求和系統(tǒng)主要功能,對交通視頻檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究并形成了可行方案,。其思想是將視頻攝像頭安裝在路桿上并對下面的路況進(jìn)行監(jiān)視,,捕獲的數(shù)字化視頻信息由現(xiàn)場進(jìn)行圖像處理,再傳送到交通管理中心,。同時,,選取基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察視頻檢測的模式來實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)電子警察系統(tǒng)的改進(jìn),,此電子警察系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示,。

圖1 基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察系統(tǒng)構(gòu)成

由圖1可以看出,基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察主要由三部分組成:視頻采集部分,、圖像處理與系統(tǒng)控制部分,、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分。

3.1 視頻采集單元

從CCD攝像頭的光電轉(zhuǎn)換器件得到的視頻信號都是模擬信號,,將模擬電視信號變成數(shù)字電視信號要經(jīng)過模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換過程,。模/數(shù)轉(zhuǎn)換包含三個過程,即取樣,、量化及編碼,。其中,取樣的目的是將時間上連續(xù)的模擬信號變成時間上離散的信號,,量化是將幅度上連續(xù)的取樣值變成幅度上離散的取樣值,,而編碼的作用是將離散化的取樣值編成二進(jìn)制數(shù)碼,。經(jīng)取樣、量化,、編碼所得到的數(shù)字信號即為視頻PCM 信號,。

在進(jìn)行視頻處理時,從攝像頭輸入模擬信號,,這些全電視信號構(gòu)成極為復(fù)雜,,因而對視頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的電路也非常復(fù)雜,Philips公司將這些非常復(fù)雜的A/D轉(zhuǎn)換電路集成到了一塊芯片中,,從而生產(chǎn)出功能強(qiáng)大的視頻輸入處理芯片SAA7113,為視頻信號的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便,。

SAA7113是一種視頻解碼芯片,它可以輸入4路模擬視頻信號,,通過內(nèi)部寄存器的不同配置可以對4路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換,,輸入4路CVBS或2路S視頻(Y/C)信號,輸出8位"VPO"數(shù)據(jù)總線,。通過設(shè)置寄存器的值,,可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的ITU-R BT656,YUV 4∶2∶2格式。

SAA7113具有雙通道模擬預(yù)處理電路,,包括信號源選擇,,兩個模擬抗混迭濾波器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,一個自動鉗位和增益控制電路,,一個時鐘發(fā)生電路(CGC),,一個數(shù)字多制式解碼器,一個亮度/對比度/飽和度控制電路和一個色彩空間轉(zhuǎn)換矩陣,。主要應(yīng)用于多媒體,、可視電話、圖像處理及安防等方面,。

3.2 視頻圖像處理單元

從視頻A/D芯片SAA7113送來的數(shù)字視頻流必須經(jīng)過處理,,如對數(shù)字視頻流進(jìn)行解碼,識別出行,、場同步信號,,并根據(jù)電子警察系統(tǒng)要求選擇采集的圖像大小,截取每幀圖像數(shù)據(jù)等,。系統(tǒng)控制單元根據(jù)電子警察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,,對紅燈信號時截取的圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理,并判斷是否有車輛違章行為,;如有車輛闖紅燈,,則將截取到的圖像添加相應(yīng)信息,保存到系統(tǒng)存儲器中,并傳輸?shù)浇煌ü芾肀O(jiān)控中心,。

一個路口的電子警察系統(tǒng)一般有多路視頻信號同時傳入,,數(shù)據(jù)量大,實(shí)時性要求高,。如果將這些視頻數(shù)據(jù)送到電子警察控制單元ARM 芯片進(jìn)行處理是不現(xiàn)實(shí)的,。因此必須在ARM 芯片前端增加專門的圖像采集處理器件。在目前市場上的圖像采集處理系統(tǒng)中,,用作系統(tǒng)的核心器件一般有現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),、數(shù)字信號處理器(DSP)以及特定用途集成電路(專用ASIC)芯片。FPGA是在ASIC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,,克服了ASIC不夠靈活的缺點(diǎn),,F(xiàn)PGA 芯片不僅可以和ASIC芯片一樣解決電子傳統(tǒng)小型化、低功耗等問題,,還具有高速,、高可靠性、開發(fā)周期短,、質(zhì)量穩(wěn)定,、開發(fā)軟件投入小、開發(fā)工具先進(jìn),、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品小需測試及可實(shí)時在線檢測等一系列ASIC無法比擬的優(yōu)點(diǎn),,而且還可以根據(jù)后期現(xiàn)場的需要進(jìn)行現(xiàn)場編程,可擦寫多次,,使得無論在開發(fā)過程中和后期現(xiàn)場調(diào)試或者增加一定的功能都十分方便,,設(shè)計(jì)比較靈活;而且隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展和提高,,F(xiàn)PGA芯片本身的成本越來越低,。同時,在數(shù)字圖像處理方面,,DSP更適宜于用作高層數(shù)據(jù)處理,。

實(shí)時圖像采集和處理對系統(tǒng)性能的要求極高,數(shù)據(jù)流量一般情況下也比較大,,因此幾乎所有只具有最簡單功能的通用DSP都不能在圖像采集處理系統(tǒng)中達(dá)到所需的性能要求,,因而更多地采用FPGA來實(shí)現(xiàn),。

綜上所述,,采用FPGA 代替DSP或者ASIC芯片作為在ARM 芯片前端的圖像采集處理器件,實(shí)現(xiàn)視頻圖像采集和處理,。

3.3 系統(tǒng)控制單元

系統(tǒng)控制部分是整個電子警察系統(tǒng)的核心,,其主要工作為:

(1)獲取FPGA截取的視頻圖像,并對圖像進(jìn)行處理,,檢測是否有車輛違章闖紅燈的行為,;(2)當(dāng)有車輛闖紅燈違章行駛時,,對車輛違章行為進(jìn)行抓拍,并在車輛違章圖像中添加相應(yīng)信息,;(3)控制車輛違章圖像及信息的傳輸,。

為了能很好地完成以上控制功能,可以采用Atmel公司生產(chǎn)的AT91RM9200微處理器,。它是完全圍繞ARM920TARM Thumb處理器構(gòu)建的系統(tǒng),。具有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口,從而為低功耗,、低成本,、高性能的計(jì)算機(jī)寬范圍應(yīng)用提供一個單片解決方案。為完善性能,,AT91RM9200集成了包括JTAGICE,、專門UART調(diào)試通道(DBGU)及嵌入式的實(shí)時追蹤等一系列的調(diào)試功能。這些功能使得開發(fā),、調(diào)試所有的應(yīng)用,,特別是使實(shí)時性限制的應(yīng)用成為可能。

3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元

AT91RM9200內(nèi)部包含了MAC以太網(wǎng)控制,,支持媒體獨(dú)立接口(Media Independent Interface,MII)或簡化獨(dú)立媒體接口(RMII),,可在半雙工或全雙工模式下提供情報10/100 Mb/s的以太網(wǎng)接入。以太網(wǎng)MAC是OSI參考模型物理層(PHY)和邏輯鏈路層(LLC)間MAC子層的硬件工具,。以太網(wǎng)MAC包括所需邏輯與DMA 管理的發(fā)送與接收FIFO.然而,,AT91RM9200并未提供物理層接口,故需外接一片物理層芯片,,以提供以太網(wǎng)的接入通道,。

DM9161是一款單芯片、低功耗,、物理層傳輸接口芯片,,支持100BASE-TX 及10BASE-T 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

DM9161采用低功耗,、高效率CMOS處理器,,包含了由IEEE 802.3u規(guī)定的100BASE-TX所有物理層功能,包括物理代碼子層(Physical Coding Sublayer,PSC),、物理媒體捆綁(Physical Medium Attachment,PMA),、雙絞線物理媒體依賴子層(Twisted Pair Physical MediumDependent Sublayer,TP-PMD)、10BASE-TX 編碼/解碼(10BASE-TX Encoder/Decoder,ENC/DEC)及雙絞線媒體接入單元(Twisted Pair Media AccessUnit,TPMAU),。DM9161利用自動媒體速度和協(xié)議選擇功能,,提供強(qiáng)大的自適應(yīng)支持。由于DM9161內(nèi)置有波形塑造濾波器,因而不用外部擴(kuò)展濾波器就能實(shí)現(xiàn)在100BASE-TX 或10BASE-T 媒介中傳輸信號,。

DM9161通過RJ45接口,,可實(shí)現(xiàn)與路由器或CDMAMODEM 連接。

4 結(jié) 語

車輛視頻檢測是一門多種技術(shù)融合多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科,,基于嵌入式系統(tǒng)的違章車輛視頻檢測系統(tǒng)是整個電子警察系統(tǒng)的核心,,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有比較高的檢測率,基于視頻的車輛檢測系統(tǒng)是ITS中的前端信息采集系統(tǒng),,有著廣泛的應(yīng)用,,除了用于檢測車輛違章以外,還可以用于交通流量的檢測與統(tǒng)計(jì),。

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